Anno Accademico 2007-08 Trasmissioni radiomobili 1 Universita’ di TorVergata- Facolta’ di Ingegneria Trasmissioni Radiomobili (Ia parte) Anno Accademico 2007-2008 Antonio Saitto Romeo Giuliano
Anno Accademico 2007-08
Trasmissioni radiomobili 1
Universita’ di TorVergata-Facolta’ di Ingegneria
Trasmissioni Radiomobili (Ia parte)
Anno Accademico 2007-2008Antonio Saitto
Romeo Giuliano
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Trasmissioni radiomobili 2
Alcune Informazioni
• Docenti:– Antonio Saitto
[email protected]– Romeo Giuliano [email protected]
• Modalià d’Esame:– Già discusse lezione precedente
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Trasmissioni radiomobili 3
L’importanza del canale radiomobile
• Negli ultimi anni il canale radio è diventato l’accesso preferito per comunicare, per gli evidenti vantaggi legati alla mobilità e alla così detta nomadicità.
• La possibilità di utilizzare una risorsa limitata e quindi pregiata, in modo così esteso e per tante applicazioni (sistemi cellulari, reti WiFi, reti ad hoc, reti WiMax, ecc.) si basa fortemente sulla capacità di ottimizzare da un lato la codifica della sorgente (riduzione di ridondanza), dall’altro di progettare sistemi di trasmissione efficienti e robusti per un ambiente particolarmente difficile come il canale radiomobile.
• Il corso vuole dare una panoramica degli aspetti più significativi necessari a caratterizzare il canale e a definire le caratteristiche principali degli elementi che condizionano la progettazione dei sistemi radiomobili.
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Trasmissioni radiomobili 4
Modello a strati di un sistema di telecomunicazioni
• Il progetto di un sistema di telecomunicazioni, e più in generale di una rete per telecomunicazioni è un compito arduo ed articolato dovendo tenere conto di molti aspetti realizzativi e tecnologici.
• Nello sviluppo di questo tipo di sistemi sono necessarie numerose competenze che spaziano dal campo dell’elettronica fino all’informatica. Inoltre occorre tenere conto – dei requisiti provenienti dalle applicazioni che
utilizzano il sistema, dei servizi offerti,– delle caratteristiche del mezzo utilizzato per il
trasporto della informazione, – Delle tecnologie disponibili etc.
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Trasmissioni radiomobili 5
Modello a strati di un sistema di telecomunicazioni
• In generale, per semplificare il progetto di un sistema complesso si utilizza il concetto di stratificazione delle funzioni che il sistema deve svolgere inquadrandole all’interno di una gerarchia. Una funzione viene svolta da un modulo.
• Questo `e rappresentabile come un dispositivo (hardware e/o software (es. processi all’interno di un calcolatore).
• La funzione eseguita dal modulo `e di supporto per il funzionamento dell’intero sistema. Il
• progettista del modulo conosce completamente la sua struttura, i dettagli di realizzazione e le operazioni che il modulo può compiere.
• L’utilizzatore del modulo visto come component in un sistema più ampio, si interessa soltanto delle grandezze di ingresso e di uscita dal modulo e soprattutto della loro relazione funzionale.
• In questo secondo caso, il modulo viene trattato come una scatola nera. Un modulo può essere unito ad altri moduli per costruire sottosistemi più complessi che, ad un livello più alto sono viste come scatole nere più grandi.
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Trasmissioni radiomobili 6
Esempio di gerarchia di moduli incapsulati
Modulo di Alto Livello
Lower level black box
Lower level black box
Modulo semplice
Black box
Black box
Black box
Modulo semplice
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Trasmissioni radiomobili 7
Esempio di modello a strati per un sistema di telecomunicazioni
Module Module
Module ModulePeer Process
Lower level Peer Process
Higher level black boxcommunication system
Lower level black boxcommunication system
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Trasmissioni radiomobili 8
Architettura rete OSIApplication Application
Virtual network service
Presentation Presentation
Virtual session
Session Session
Virtual link for end to end message
TransportTransport
Virtual link for end to end packets
Physical Interface
Data link control
Network
Physical Interface
Data link control
NetworkVirtual link for reliable
packets
Virtual bit pipe
Phisical link
Physical Interface
Physical Interface
Data link control
Network
Data link control
Virtual link for reliable
packets
Virtual bit pipe
Phisical link
Virtual bit pipe
Physical Interface
Physical Interface
Network
Data link control
Data link control
Virtual link for reliable
packets
Phisical link
External site External siteSubnet node Subnet node
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Bandwidth vs Mobility
Satellite phones
Fixed Wireless
PSTN
WLANPAN
Cordless Phones
Third generation mobile phone
Second generation mobile phone
109
108
107
106
105
104
Stationary Nomadic Pedestrian Vehicular train planes
Mobility
Bandwidth (Hz)
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Trasmissioni radiomobili 10
Bandwidth vs Range
Third generation mobile phone
Second generation mobile phone Satellite phones
Fixed Wireless
PSTN
WLANPAN
Cordless Phones
109
108
107
106
105
104
1 10 100 1000 10000 100000
Range
Bandwidth (Hz)
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Trasmissioni radiomobili 11
Generalita’ sui modelli di un sistema di comunicazione
numerica
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Trasmissioni radiomobili 12
Tipico schema di un sistema di Trasmissione Numerica via radio
SorgenteCodifica di canale
MOD Emettitore
Tx Antenna
Decodif. di canale
DEMODRicevitore Destinatario
Rx Antenna
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Trasmissioni radiomobili 13
Modelli di Canali presenti nel collegamento RM• Canale di Propagazione
– Descrive il mezzo fisico. È responsabile delle fluttuazioni lente e di quelle rapide tra l’antenna Tx e quella Rx
– Si suppone che sia rappresentabile con un modello lineare,
– Il modello però si assume non permanente, ovvero tempovariante,, per tenere in considerazione la caratteristica principali del canale Radiomobile.
• Canale Radio– Include le caratteristiche delle antenne Tx ed Rx e
quelle del canale di propagazione.• Canale di Modulazione
– Include oltre il canale radio il sistema di emissione (amplificatore e convertitore) il sistema di modulazione numerica, il sistema di ricezione (Amplificazione a basso rumore e convertitore) e demodulatore
• Canale Numerico– I canale numerico considera i simboli generati dalla
sorgente, quelli ricevuti dal destinatario ed il canale che include il canale di modulazione è rappresentato dalla probabilità di identificare il simbolo trasmesso sulla base dei simboli ricevuti
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Trasmissioni radiomobili 14
Canali identificabili in un sistema
di comunicazione numerica via radio
SorgenteCodifica di canale
MOD Emettitore
Tx AntennaDecodif. di canale
DEMODRicevitore
Rx Antenna
Destinatario
Canale di propagazione
Canale numerico
Canaledella modulazione
Canale radio/tratta radio
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Trasmissioni radiomobili 15
Segnali nel sistema (linearizzazione del canale radio
senza rumore)
Canale variante nel tempo h(t,) DEMOD Destinatario
Decodif. di canale
Sorgente MODCodifica di canale
ak bk s(t) y(t) ck âk
y(t)= h(t,)s(t- )d
∫-
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Trasmissioni radiomobili 16
Canale digitale con rumore
h(t,) DEMOD DestinatarioDecodif. di canale
Sorgente MODCodifica di canale
ak bk s(t) y(t) ck âk
+
n(t)
+
ek
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Trasmissioni radiomobili 17
Canale con rumore Gaussiano (AWGN)
h(t,) DEMOD DestinatarioDecodif. di canale
Sorgente MODCodifica di canale
ak bk s(t) y(t) ck âk
+
n(t)Rumore gaussiano
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Trasmissioni radiomobili 18
Processo Gaussiano
• Processo continuo gaussiano :• È un processo del quale si ha la piena conoscenza
statistica solo in base alla conoscenza della funzione di densità di probabilità del 2° ordine, nel caso di stazionarietà l´espressione della densità di probabilità del 1° ordine è .
• Una importante proprietà di questo processo è che la somma di processi gaussiani indipendenti è ancora un processo gaussiano con valor medio somma dei valori medi e varianza somma delle varianze
• inoltre la somma di n processi arbitrari ma indipendenti è un processo gaussiano per n secondo quanto affermato dal teorema del limite centrale.
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Trasmissioni radiomobili 19
Cenni sul Rumore Gaussiano (a)
• Rumore Gaussiano :• È il processo gaussiano risultante dalla
somma di numerosi segnali aleatori additivi , in particolare abbiamo un rumore gaussiano bianco se la densità spettrale di potenza è N(f) = N0 = KT= costante cui corrisponde la autocorrelazione
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Trasmissioni radiomobili 20
Rumore Gaussiano (b)• Rumore Gaussiano +filtro passa basso
Rumore bianco
n(t)B/2
R(t)=N0(t) h(t)
h(t)=B sin(tB)
tB
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Trasmissioni radiomobili 21
Rumore Gaussiano (c)
• Rumore gaussiano stazionario in banda traslata • Per una generica rappresentazione del
rumore in banda traslata
• i processi in banda base Nc(t) ed Ns(t) risultano gaussiani stazionari e la potenza del rumore in banda traslata si ritrova identica su ciascuno di essi mentre la densità spettrale presenta una larghezza di banda diversa a seconda di come viene scelta fc , in particolare è massima e pari a 2B se fc è ad uno degli estremi della banda traslata mentre è minima e pari a B se fc è al centro della banda traslata.
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Trasmissioni radiomobili 22
Rumore Gaussiano (d)
• Rumore gaussiano bianco nello spazio dei segnali :
• Nello spazio con dimensione N tendente all´infinito , una realizzazione del rumore bianco è rappresentabile con un vettore n avente componenti ciascuna con densità di probabilità del 1° ordine .
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Trasmissioni radiomobili 23
Le relazioni ingresso uscita
Ingresso Canale radio Uscita
Canale della modulazione s(t) g(t,) , n(t) y(t)
Canale in banda base
s+(t)=u(t)e j2fot
g(t)=2{h(t) e j2fot } nB(t)= {n(t) e j2fot }
y(t)={z(t) e j2fot }
Canale digitale bk ek ck
AlfabetoAlfabeto di ingresso
ak
Probabilità condizionata
Alfabeto di uscita
âk
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Trasmissioni radiomobili 24
Rappresentazione passabanda e di banda base dei
segnali
s(t)=A(t)cos[2f0t+(t)]
Segnale passabanda:
ponendo:I(t)=A(t)cos[(t)]Q(t)=A(t)sin[(t)]
L’inviluppo complesso e’:
u(t)=I(t)+jQ(t)
s+(t)=u(t)e j2fot
e:
={s+(t) }
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Trasmissioni radiomobili 25
Rappresentazione nel Dominio della Frequenza
u(t)=I(t)+jQ(t)
s(t)= {u(t)ej2pfot }=I(t)cos(2f0t)-Q(t)sin(2f0t)
S(f)=½ {U(f-f0)+U*(-f-f0)}
S(f)={S+(f)+S-(f)}
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Trasmissioni radiomobili 26
Spettro di Fourier del segnale
S(f)= 1/2[U(f-f0)+U*(-f-f0)]
Caso tipico f0>Banda dell’inviluppo complesso
Caso generale f0 e’ paragonabile alla Banda dell’inviluppo complesso
f
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Trasmissioni radiomobili 27
Caso Generale
S(f)=½ {U(f-f0)+U*(-f-f0)} ={S+(f)+S-(f)}
Caso generale f0 e’ paragonabile alla Banda dell’inviluppo complesso
S+(f)
S+(f)= ½ S(f)[1+sgn(f)]
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Trasmissioni radiomobili 28
Espressione generale nel tempo
S+(f)= ½ S(f)[1+sgn(f)]
S+(f)= ½S(f)+ ½ sgn(f)S(f)
La antitrasformata di S(f) è s(t), l’antitrasformata del secondo termine è data dalla funzione di correlazione fra le antitrasformate di S(f) e sgn(f) ; quindi:
s+(t)= ½s(t)+½ ∫-
(t-)js()
d=½s(t)+ ½š(t)
Trasformata di Hilbert H[s(t)]
s(t)=-H[š(t)]
XH(f)=-jsgn(f)X(f)
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Trasmissioni radiomobili 29
Rappresentazione della Trasformata di Hilbert nel dominio della
frequenza
½ S(f)
½ sgn(f)S(f)
S+(f)
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Trasmissioni radiomobili 30
Rappresentazione semplificata per i segnali f0>Banda dell’inviluppo
complesso
U(f-f0)=0, se f<0
U(-f-f0)=0, se f>0
Si può rappresentare quindi il segnale con le componenti I e Q del suo inviluppo complesso in ogni fase della sua evoluzione lungo il canale radio
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Trasmissioni radiomobili 31
Rappresentazione della risposta impulsiva
g(t)=2{h(t) e j2fot }
Detta g(t) la risposta impulsiva reale:
dove:
h(t)=hI(t)+jhQ(t)
E lo spettro di Fourier risulta:
G(f)=H(f-f0)+H*(-f-f0)
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Trasmissioni radiomobili 32
Rappresentazione del segnale di uscita da un filtro
passabanda(1)
y(t)={z(t) e j2fot }
Detto y(t) il segnale di uscita reale:
dove:
z(t)=zI(t)+jzQ(t)
E lo spettro di Fourier risulta:
Y(f)= 1/2[Z(f-f0)+Z*(-f-f0)]
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Trasmissioni radiomobili 33
Rappresentazione del segnale di uscita da un filtro
passabanda(2)
Y(f)=G(f)S(f)
Y(f) risulta:
Da cui nel caso f0>Banda inviluppo complesso:Z(f-f0)+Z*(-f-f0)= [H(f-f0)+H*(-f-f0)][U(f-f0)+U*(-f-f0)]
E quindi:Z(f)= H(f)U(f)
Z(f-f0)+Z*(-f-f0)= H(f-f0)U(f-f0)+ H*(-f-f0)U*(-f-f0)
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Trasmissioni radiomobili 34
Rappresentazione del segnale di uscita da un filtro
passabanda(3)
z(t)=h(t)u(t)
z(t) e’ la convoluzione di h(t) e u(t) si ha quindi:
Sostituendo le espressioni in fase e quadratura per z(t), h(t) e u(t) si ha:
zI(t)=hI(t)I(t)-hQ(t)Q(t)zQ(t)=hI(t)Q(t)+hQ(t)I(t)
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Trasmissioni radiomobili 35
Rappresentazione del processo di rumore AWGN
in componenti di banda baseSi assume che il processo gaussiano sia considerato all’uscita di un filtro ideale passa banda centrato sulla frequenza f0
L’inviluppo complesso n(t), associato al processo di rumore nB(t) si puo’ quindi rappresentare come:
nB(t)= {n(t) e j2fot }
H(f)=
1 per f0-B/2<f < f0-B/2
0 altrimenti
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Trasmissioni radiomobili 36
Front end RF-IF: frequenza immagine
+-
Y(f)
Xx(t)
cos(2flot)
y(t)~~~
X(f)
++ - -
Filtro immagine
Non e’ piu’ possibile filtrare e l’interferenza e’ ineliminabile
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Trasmissioni radiomobili 37
Front end RF-IF eliminazione diretta della frequenza
immagine
X(f)x(t)
X
X
090 cos(2flot)
yI(t)
yQ(t)-sin(2flot)
cos(2flot)
Xx(t)
cos(2flot)-jsin(2flot)
yI(t)+j yQ(t)
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Trasmissioni radiomobili 38
Schema di un Front-end eterodina
X
X~~~
~~~
ADC
090
X ADC~~
DSP
Lo1
Lo2~~~
~~
Antenna
Preselection filter
LNA
IR filter Channel select filter
Variable amplifier
Baseband filter
Conversione analogica
digitale
Digital Signal Processor
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Trasmissioni radiomobili 39
Vantaggio della “selettivita’” del ricevitore eterodina
0.0
0.3
0.5
0.8
1.0
1.3
1.5
1600000 1650000 1700000 1750000 1800000 1850000 1900000 1950000 2000000
Frequency (KHz)
H(f
)
Preselection filter Fps(f) IF filter Hif(f) Channel filter Hcfm(f) Channel filter Hcfn(f)
Preselection filter
IR filterChannel select filters
QPr.= 34
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1600000 1650000 1700000 1750000 1800000 1850000 1900000 1950000 2000000
H(f
)
QIF= 15
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Trasmissioni radiomobili 40
Filtro di banda base
0.0
0.3
0.5
0.8
1.0
1.3
1.5
1814000 1816000 1818000 1820000 1822000 1824000 1826000 1828000
Frequency (KHz)
H(f
)
Channel filter Hcfm(f) Channel filter Hcfn(f) Baseband filter Hbb(f)
Channel select filters
Baseband filter
QCF= 36
Q= 13
Anno Accademico 2007-08
Trasmissioni radiomobili 41
Schema di un Front-end omodina
X
~~~
ADC
090
X ADC~~
DSPLo
~~
Antenna
Preselection filter
LNA
Baseband filter
Conversione analogica
digitale
Digital Signal Processor
Q omod= 4800
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1600000 1650000 1700000 1750000 1800000 1850000 1900000 1950000 2000000
H(f
)
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Trasmissioni radiomobili 42
Auto interference e LO self mixing per un ricevitore
omodina
Antenna Baseband filter
X
~~~
090
X ~~
Lo
~~
Preselection filter
LNA
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Trasmissioni radiomobili 43
Canale di trasmissione radiomobile
Anno Accademico 2007-08
Trasmissioni radiomobili 44
Propagazione in Spazio Libero
• Nello spazio libero la potenza ricevuta decresce con il quadrato della distanza
• Dipende dal Guadagno dell’antenna trasmittente
• Dall’area equivalente dell’antenna ricevente
Pr(d) =PtGtAreff
4d2
Gr =
4Areff
2
Pr(d) =PtGtGr ( )2= PtGtGr Asl(d,f)4d
Attenuazione in Spazio Libero
Anno Accademico 2007-08
Trasmissioni radiomobili 45
Il canale radiomobile: fluttuazionilente o di larga scala
• Il canale radiomobile pone importanti limitazioni alle prestazioni dei sistemi radio.
• a differenza delle caratteristiche delle trasmissioni che utilizzano il cavo, le quali sono stazionarie e predicibili
• quelle del canale radio sono estremamente variabili e spesso di difficile analisi.
• La modellizzazione del canale radio è stata da sempre una delle parti più difficili del progetto dei sistemi radio.
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Trasmissioni radiomobili 46
Meccanismi fisici di propagazione
nello spazio con ostacoli
Ētot= Ēdir+ Ērifl+ Ēdiffr+ Ēdiff
Raggio riflesso
Raggio direttoLine of Sigth
Raggio diffuso
Raggio diffratto
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Trasmissioni radiomobili 47
Il caso Radiomobile• Se il terminale comunica attraverso un
percorso in linea di vista non ostruito, ci si aspetta che la diffrazione e la diffusione siano poco influenti.
• Viceversa, se il terminale si muove a livello di strada in assenza di un percorso in linea di vista la diffrazione e la diffusione saranno invece i meccanismi di propagazione dominanti.
Raggio riflesso
Raggio diffratto
Raggio diffuso
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Trasmissioni radiomobili 48
Modelli su grande scala e piccola sala
• Tradizionalmente i modelli di propagazione cercano di predire la potenza media del segnale ricevuto ad una certa distanza e nelle sue vicinanze. Tali modelli sono chiamati modelli di larga scala
• la potenza del segnale fluttua rapidamente variando di poche lunghezze d’onda la posizione del rice-trasmettitore mobile . Si parla in questo caso di modelli di piccola scala.
• Questo fenomeno è dovuto al fatto che in ogni punto dell’area in cui il mobile si viene a trovare, il campo ricevuto è dato dalla somma dei campi diretto e/o riflesso e/o diffratto e/o diffuso.
• Si osserva che la potenza istantanea ricevuta può variare significativamente anche di 20 dB e fino a 40 dB. Ciò si puà anche verificare se il ricevitore si muove di una frazione della lunghezza d’onda.
• La modellizzazione è molto complessa.
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Trasmissioni radiomobili 49
Fluttuazioni su grande scala e piccola scala
Anno Accademico 2007-08
Trasmissioni radiomobili 50
Coefficiente di riflessione (1)
c= 0[r+ /(2jf 0)]Costante dielettrica del terreno
V=c /0sin(i)- (c /0)-cos2(i)
c /0sin(i)+ (c /0)-cos2(i)
sin(i)+ (c /0)-cos2(i)
sin(i)- (c /0)-cos2(i)H=
Coefficienti di riflessione
0=8.854x10-12 [Coulomb2/Newton m2]
i
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Trasmissioni radiomobili 51
Coefficiente di riflessione (2)
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90
RV
RO
0.00
20.00
40.00
60.00
80.00
100.00
120.00
140.00
160.00
180.00
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90
Fase RV
Fase RO
Esempio di andamento dei coefficienti di riflessione per polarizzazione orizzontale e verticale per fo=1.8 GHz
Anno Accademico 2007-08
Trasmissioni radiomobili 52
Modello di canale mobile a banda stretta
y(t)={r(t) e j(2fot+(t) }
Assumiamo di trasmettere un segnale sinusoidale a frequenza f0, e j(2fot), la risposta in uscita di un canale lineare si puo’ scrivere come:
Il contributo complesso del canale risulta quindi :
H(t)=a(t) e j(t) (t)
a(t)=a0(t)m(t)
dove:a0(t)= fluttuazione velocem(t)= fluttuazione lenta
Assumendo una velocita’ costante del mobile v, si puo’ usare una dipendenza da d=vt per a0(d) e
m(d):
Anno Accademico 2007-08
Trasmissioni radiomobili 53
Fluttuazione lenta
hb
hm
0 x d
Se =-1, valido per d >> hb sia per polarizzazione orizzontale,che verticale: Attenuazione
=A(d2/hbhm)2
A meno di una fase costante
EdEd /(4d)(e )
-j2 /{(d2+(hb-hm)2}1/2
/(4d)(e )-j{2[(hbhm)/(d)}
j{2[(hbhm)/(d)} /(4d)(e )Er /(4d)(e )-j2 /{(d2+
(hb+hm)2}1/2
Anno Accademico 2007-08
Trasmissioni radiomobili 54
Attenuazione lenta complessiva
Pr(d) = PtGtGr Asl(d,f) AR(ht,hr,d,f)
Asl(d,f) AR(ht,hr,d,f)=d4
(hthr)2
Questa approssimazione vale solo per riflessioni con piccoli angoli d’incidenza
Anno Accademico 2007-08
Trasmissioni radiomobili 55
Variazione lenta del campo totale: esempio di attenuazione
A
-100
-95
-90
-85
-80
-75
-70
-65
-60
-55
-50
-45
-40
-35
-30
-25
-20
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 2.20 2.40 2.60 2.80 3.00 3.20
Distance from the antenna (Km)po
wer
rec
eive
d b
y us
er a
nten
na (
dBm
)
Potenza media ricevuta in antenna (dBm) approssimazione (dBm)
Altezza antenna hb= 35 mAltezza utente hm= 1.4mFrequenza f0= 1.8 GHz
Anno Accademico 2007-08
Trasmissioni radiomobili 56
Prima Zona di Fresnel (= free line of sigth)
Diffrazione
h
½ Dprima zonadto
d
Dprima zona=2(dto(d- dto)/d)maxfase D2
prima zona d/[4dto(d- dto)]=
Anno Accademico 2007-08
Trasmissioni radiomobili 57
Esempio dell’ellissoide di Fresnel
- 25
- 20
- 15
- 10
- 5
0
5
10
15
20
25
0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0Kms
met
ers
Distanza fra le antenne: 10 KmFrequenza: 1.8 GHz
Nel caso di trasmissione radiomobile la prima zona di Fresnel non e’ mai libera da ostacoli. Sono fondamentali quindi i contributi riflesso, diffratto e diffuso